Сварка алюминия и его сплавов
Алюминий – очень легкий металл, имеющий плотность 2,7 г/см3. Отличаясь малой массой, сравнительно высокой прочностью, хорошей обрабатываемостью, алюминиевые сплавы широко применяются во всех отраслях народного хозяйства. Высокая коррозионная стойкость, теплопроводность и электропроводность во многих случаях делают их труднозаменимыми конструкционными материалами.
В сварных конструкциях получили распространение деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой (АД, АД 1, Амц, Амг6 и др.), сплавы, упрочняемые термообработкой (АД31, АД33, 1201, 1420 и др.).
Алюминий обладает способностью активно взаимодействовать с кислородом. Образующийся оксид алюминия А12О3 покрывает поверхность металла прочной и плотной пленкой. Окисление алюминия при нормальной температуре после достижения предельной толщины пленки практически прекращается, так как пленка обладает защитными свойствами.
Важнейшей характеристикой пленки оксида алюминия является ее способность адсорбировать газы, в особенности водяные пары. Коэффициент теплового расширения пленки почти в 3 раза меньше, чем у алюминия, поэтому при нагреве в ней образуются трещины. При наличии в сплаве легирующих добавок состав пленки может меняться и становится более сложным, включая оксиды этих добавок. Подобные сложные пленки могут быть более рыхлыми, гигроскопичными и не обладать защитными свойствами.
Трудности сварки алюминия и его сплавов связаны с наличием на поверхности свариваемых кромок тугоплавкой оксидной пленки (температура плавления 2 050 °C), препятствующей сплавлению основного и присадочного металлов. Удаление оксидной пленки производят тремя способами: механическим (наждачным инструментом, металлической щеткой, шабрением), химическим (травлением, применением при сварке флюсов, содержащих фтористые и хлористые соли) и электрическим (сварка постоянным током обратной полярности или переменным током, катодное распыление). Следует иметь в виду, что при нагреве до температуры 400–500 °C прочность алюминия резко падает и деталь может разрушиться даже под действием собственного веса.
Дуговую сварку строительных конструкций производят угольным или плавящимся электродом. При сварке угольным электродом присадочным материалом служат прутки из алюминия А0, А1 или сплавов АМц, АК. Наличие кремния в присадочном материале повышает текучесть металла, снижает усадку и уменьшает опасность образования трещин в металле шва. Сварку выполняют постоянным током прямой полярности. Диаметр электрода выбирают в пределах 6–15 мм в зависимости от толщины свариваемых кромок. Сварочный ток соответственно составляет 150–500 А. Перед сваркой присадочный пруток и свариваемые кромки покрывают флюсом.
При сварке плавящимся электродом применяют стержни из сварочной проволоки марок СвА97, СвАМц, СвАК5 или проволоки из сплава того же состава, что и свариваемый металл. Сварку производят постоянным током обратной полярности с возможно короткой дугой. Сварочный ток определяют из расчета 15–30 А на 1 мм диаметра электрода. Для удаления пленки оксидов применяют флюс АФ4А, содержащий хлористого натрия – 28 %, хлористого калия – 50 % хлористого лития – 14 %, фтористого натрия – 8 %. При сварке металлическим электродом применяют различные покрытия, которые содержат хлористый натрий, хлористый калий, фтористый калий, фтористый натрий, криолит, сернокислый натрий, хлористый литий и др. В качестве связующего вещества применяют декстрин или густой раствор поваренной соли. Покрытие наносят на стержень электрода слоем 1–1,2 мм. Листы толщиной до 3 мм сваривают с отбортовкой, а при толщине металла 4–8 мм – без скоса кромок.
Листы толщиной более 8 мм сваривают со скосом кромок с углом раскрытия 60–70°. Кромки листов толщиной более 8 мм перед сваркой подогревают до температуры 200–250 °C. После сварки швы тщательно очищают от шлаков и остатков флюса – промывают горячей водой, протирают щеткой и ветошью. Для более полной очистки применяют травление 5 %-м раствором азотной кислоты с последующей промывкой горячей водой и сушкой.
Автоматическую и полуавтоматическую сварку по флюсу применяют для листов и деталей с толщиной кромок более 8 мм. Дуга горит не в слое флюса, а над флюсом. Тонкого слоя флюса достаточно, чтобы защитить сварочную ванну и удалить оксидную пленку. При большей толщине слоя флюса дуга шунтируется через шлак, обладающий высокой электропроводностью, и горит по слою флюса. Применяется электродная проволока марки СвА97 или СвАМц диаметром 2–3 мм. Флюс АН—А1, состоящий из хлористого натрия – 20 %, хлористого калия – 50 % и криолита – 30 %, наносят на свариваемый шов слоем толщиной 10–35 мм. Сварку производят постоянным током обратной полярности при напряжении дуги 38–44 В. Вылет электрода составляет 25–40 мм, сварочный ток 300–450 А, скорость сварки 12–20 м/ч.
Аргонодуговая сварка алюминия и его сплавов получила наибольшее распространение. При ее использовании нет необходимости применять относительно сложные флюсы и покрытия, остатки которых могут вызвать коррозию металла шва. Сварку производят постоянным током обратной полярности или переменным током, но с обязательным применением осциллятора и балластного реостата.
Ручную сварку выполняют вольфрамовым электродом на установках УДГУ–301, УДГ–501 и ИСВУ–315. При толщине свариваемых кромок до 6 мм применяют электроды диаметром до 4 мм, а для кромок больших толщин – до 6 мм. Сварочный ток определяют из расчета 30–45 А на 1 мм диаметра электрода. Расход аргона составляет 6–15 л/мин. Сварку производят при минимальной длине дуги (менее 2 мм), что обеспечивает энергичное разрушение оксидной пленки вследствие катодного распыления и улучшенную защиту сварки.
Механизированную сварку выполняют на специализированном автомате типа АДСВ–6.
Полуавтоматическую и автоматическую сварку в среде аргона плавящимся электродом выполняют специальными шланговыми полуавтоматами и автоматами. Сварку производят постоянным током при правильном выборе режима сварки и применении обратной полярности. Применяют сварочную проволоку СвА97, СвАМц, СвАК или того же состава, что и свариваемый металл. Металл толщиной до 10 мм сваривают без разделки кромок, при больших толщинах кромок применяют V– и Х-образные разделки шва. Сварочный ток при электродной проволоке диаметром 2,0 мм составляет 250–300 А, скорость сварки достигает 30–40 м/ч.
Газовая сварка алюминия дает хорошие результаты при правильном выборе режима сварки и применении флюсов. Листы толщиной до 3 мм сваривают с отбортовкой кромок на высоту примерно утроенной толщины листа. При толщине листов до 5 мм сварку производят без скоса кромок с зазором до 0,5 мм.
Листы толщиной 5–15 мм сваривают с односторонним, а при большей толщине – с двусторонним скосом кромок. Угол разделки составляет 60–70°. Сварку нахлесточных соединений применять не следует, так как флюс, затекающий в зазор между листами, вызывает коррозию и разрушение шва. Кромки соединения и присадочную проволоку хорошо очищают от оксидной пленки механическим или химическим способом.
Механическую очистку производят путем обезжиривания в щелочном растворе с последующей очисткой металлической щеткой. Сварку следует выполнять не позднее чем через 2 ч после очистки.
Химическую очистку производят в такой последовательности: кромки обезжиривают и протравливают в 5 %-м растворе каустической соды, затем соединяемые части промывают водой, насухо протирают тряпкой и просушивают. Сварку следует выполнять не позднее чем через 8 ч после очистки. Флюс наносят на свариваемые кромки и присадочную проволоку в виде пасты или насыпают в разделку шва в виде порошка. Флюсы хранят в герметически закрытых сосудах, так как они интенсивно поглощают влагу из воздуха. Сварку выполняют левым способом нормальным пламенем или с небольшим избытком ацетилена. При этом следует учесть, что большой избыток ацетилена способствует образованию пор в сварном шве. Большую опасность представляет избыток кислорода, который значительно затрудняет сварку, интенсивно окисляя алюминий. Угол наклона мундштука горелки в начале сварки устанавливают повышенный – 70–80°, а затем уменьшают до нормального значения – 30–45°.
Мощность сварочного пламени зависит от толщины металла:
При сварке силуминов рекомендуется предварительно подогреть изделие до 200–250 °C, а после сварки произвести отжиг при температуре 300–350 °C с последующим медленным охлаждением. Швы сварных соединений из проката проковывают легкими ударами в холодном состоянии. Остатки флюса и шлака тщательно удаляют с помощью металлической щетки и промывкой горячей водой.
